存在剥离条件下颗粒物沉积过程的数值研究和实验验证

为了更加准确地模拟涡轮叶片表面颗粒物沉积的增长过程和分布状况,研究颗粒物沉积过程中粘附、剥离直至稳定平衡的规律,在经改进的颗粒粘附模型基础上考虑两种剥离形式,利用Fluent的User Defined Function (UDF)功能和网格重构技术,最终实现了熔融石蜡颗粒于带有气膜冷却的平板上沉积动态增长的过程。通过与相同条件下所得实验结果的对比,验证了所用模型的有效性和合理性。随后研究了是否加入剥离模型、气膜冷却吹风比、气膜孔射流角度等因素对沉积效果的影响。计算结果表明,考虑颗粒的剥离效应将减少颗粒物沉积的总量,尤其是在气膜孔后较短区域内;此外,吹风比的增加将使颗粒不易撞击壁面,已粘附的颗粒也更容易剥离从而降低沉积的厚度和质量;射流角度不断增大则使气膜覆盖效果变差,壁面温度升高,颗粒更易达到熔融状态沉积下来。研究发现该数值方法有助于更加精确地仿真沉积增长的过程,证实了吹风比和射流角度对沉积的分布和厚度有很大影响。当射流角度处于35°～40°时,可在一定程度上减少沉积。     

污染物沉积和热障涂层脱落对气膜冷却效率影响的数值研究

污染物沉积到有热障涂层的涡轮叶片上之后,会导致叶片表面状况的改变,进而影响气膜冷却效率。为分析影响规律,利用三维数值计算研究了3种典型情况下的气膜冷却特性:污染物沉积、热障涂层脱落及气膜孔堵塞,并得到了吹风比的影响规律。研究结果表明,平板气膜冷却吹风比为0.5时,冷却效果最佳;在发生沉积和堵塞后,气膜孔附近产生的反旋涡对会削弱沉积和堵塞后的气膜冷却效率,沉积高度增加会强化这种削弱效果;由于在沉积情况下高吹风比会诱导出正向旋涡使得气膜贴近壁面,因此随着吹风比增大,气膜冷却效果增强;因涂层脱落而在孔下游产生的裂纹在低吹风比时会降低冷却效率,高吹风比时改进冷却效果,使得最佳吹风比由0.5上升到0.7左右;气膜孔堵塞会降低冷却效率,使得气膜更易脱离壁面。      

超声速涡轮叶栅超声速气膜冷却数值研究

为了研究超声速涡轮叶栅通道内的超声速气膜冷却,采用数值计算的方法,对主流压比2.33~4、冷气入射角度15°~45°条件下的涡轮叶栅超声速气膜流动和传热进行了研究。计算结果表明:超声速气膜射流与主流作用后产生的斜激波与尾缘激波交汇,形成两道反射激波,其中一道反射激波作用在气膜孔下游的叶片表面又形成了反射;在不同的主流压力下,超声速气膜射流在叶片法向和展向上展现出不同的发展特征,对转涡对(CVP)在展向上相互挤压,扼制了高温主流卷入叶片壁面;主流压比增加到4,气膜射流区在法向拉长,在展向相对较弱,导致主流在对转涡对(CVP)的作用下被卷入气膜射流的底层,壁面冷却效率降低;气膜入射角从15°增大到45°,冷却效率整体上呈先上升后下降趋势,在入射角30°时冷却效率相对最大,这与射流的穿透能力、冷却气流再覆壁面特征有关。     

不同湍流度下吹风比对涡轮导向叶片吸力面气膜冷却的影响

采用基于窄带热色液晶测量的瞬态全表面传热测量技术,研究了不同主流湍流度下的吹风比对涡轮导向叶片气膜冷却的影响,获得了叶片吸力面侧圆柱形孔排气膜冷却效率和表面传热系数比的全表面分布数据。结果表明:由于气膜射流与主流掺混的相互作用会随着主流湍流度的变化而变化,因此在主流湍流度不同时,吹风比对气膜冷却效率和表面传热系数比的影响规律会有所不同;主流湍流度较小时,吹风比的增大会显著减弱气膜覆盖效果与气膜冷却效率,但是在大湍流度下,吹风比的影响较弱,尤其是在远下游区域;相同的主流湍流度条件下,吹风比的增大会使得表面传热系数提高,但是在大湍流度下,换热增强效果较弱;相同吹风比下,高湍流度下的表面传热系数比相对较小。      

逆向射流多斜孔气膜冷却的数值模拟

为了使航空燃气轮机燃烧室在高于燃烧室材料许用温度的前提下能够正常工作,需对燃烧室内壁采取冷却措施,并对变吹风比和变角度下的逆向射流多斜孔气膜冷却进行了数值模拟。在贴体坐标下划分网格,采用k-ε模型模拟湍流流动,求解气膜冷却过程的数学模型。分别改变逆向射流同主流的夹角,使其为20°、30°、45°和60,°改变吹风比的变化范围为0.5到1.5等多种条件下,对多斜孔气膜冷却效果进行了数值模拟。在所研究的范围内得到了符合规律的结论。研究结果表明,当吹风比不变的情况下,减小逆向射流角度,用有效温比表示的冷却效果相应提高。当逆向射流角度不变时,增加吹风比,冷却效果也相应提高。     

不同来流条件对涡轮叶片表面颗粒沉积影响的实验研究

为了研究微颗粒在涡轮叶片表面的沉积特性,采用熔融态石蜡代替熔融态微颗粒,通过石蜡在平板表面的沉积来模拟真实涡轮叶片表面的微颗粒沉积,从而开展较低温度条件下微颗粒的沉积实验。通过实验观察石蜡在试验件表面附着固化分布,同时测量石蜡在平板表面不同位置的沉积量,研究了不同来流攻角、颗粒浓度对平板表面颗粒物沉积的影响规律,分析了等效加速实验的颗粒物沉积效果。结果表明:颗粒物沉积主要发生在平板前缘及压力面的中后部,前缘的颗粒沉积物质量远大于压力面和吸力面的。随着攻角的增大,压力面和吸力面沉积量显著增大,前缘变化不明显;随着来流颗粒浓度的增加,前缘和压力面的沉积量增加;对于已有等效加速实验准则,保持总粒子喷射质量相同,在颗粒浓度升高,实验时间变短的情况下,平板前缘位置的沉积量增大。     

不同来流条件对涡轮叶片表面颗粒沉积影响的实验研究

为了研究微颗粒在涡轮叶片表面的沉积特性，采用熔融态石蜡代替熔融态微颗粒，通过石蜡在平板表面的沉积来模拟真实涡轮叶片表面的微颗粒沉积，从而开展较低温度条件下微颗粒的沉积实验。通过实验观察石蜡在试验件表面附着固化分布，同时测量石蜡在平板表面不同位置的沉积量，研究了不同来流攻角、颗粒浓度对平板表面颗粒物沉积的影响规律，分析了等效加速实验的颗粒物沉积效果。结果表明：颗粒物沉积主要发生在平板前缘及压力面的中后部，前缘的颗粒沉积物质量远大于压力面和吸力面的。随着攻角的增大，压力面和吸力面沉积量显著增大，前缘变化不明显；随着来流颗粒浓度的增加，前缘和压力面的沉积量增加；对于已有等效加速实验准则，保持总粒子喷射质量相同，在颗粒浓度升高，实验时间变短的情况下，平板前缘位置的沉积量增大。     

气膜孔结构对涡轮导叶端壁冷却效率的影响研究

对涡轮叶栅端壁上游4种气膜冷却结构模型进行了数值模拟,得出在不同吹风比情况下涡轮叶栅端壁的流动与换热特性。结果表明,无槽气膜孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成1对转动方向相反的耦合涡,主流被卷入耦合涡并冲击到了端壁,使得孔间壁温接近主流温度,气膜冷却效率很低;带槽气膜孔抑制了耦合涡的形成,冷却了孔间端壁,气膜冷却效率较高,而且,随着槽深度的增加,冷气的展向(Y向)宽度逐渐增加,扩大了冷气覆盖区域,提高了端壁气膜冷却效率。     

涡轮叶片吸力面气膜冷却效率的数值研究

针对某型导向叶片,运用RNG(renormalization group)湍流模型对涡轮叶栅通道内部的三维流场和叶片吸力面的冷却效率进行了数值模拟.分析在叶栅通道主流入口雷诺数Re=4×105～6×105和冷气吹风比M=0.5～3范围内,沿吸力面不同弦向位置处开设气膜孔对气膜冷却效率的影响.结果表明:各位置气膜孔单独喷射时叶片吸力面的冷却效率均随着入口雷诺数的增加而增大;在气膜孔出口下游附近,冷却效率随着吹风比的增加先升高后降低,在下游远处则一直随着吹风比的增加而增大;三个位置处气膜孔单独喷射时,位置1气膜孔的冷却效率较位置2和位置3的高.      

旋转状态涡轮叶片吸力面单孔气膜冷却实验

采用稳态液晶测温方法,系统研究了1.5级涡轮叶片吸力面在旋转状态下的气膜冷却特性.实验中,主流经加热压缩后冲击涡轮转动,基于动叶弦长的涡轮进口主流雷诺数为8×104.射流分别采用空气和二氧化碳,其对应射流-主流密度比分别为1.03和1.57.实验转速为630,700 r/min和737 r/min,对应旋转数分别为2.092,2.324和2.448.吹风比从0.3到3.0变化.结果表明,吸力面上,气膜冷却效率随吹风比的增大先上升后下降,存在一个最佳吹风比,使冷却效果最好;增大密度比有利于增加气膜覆盖面积;旋转降低了气膜冷却效率;气膜向低半径方向偏转,但并不十分明显.